Az adszorpció néhány alkalmazása. Kromatográfia: az analitika anyag rövid összefoglalása

Átírás

1 Az adszorpció néhány alkalmazása Kromatográfia: az analitika anyag rövid összefoglalása

2 A kromatográfia elve Mi a kromatográfia? Elválasztási módszer. Az elválasztani kívánt két (több) komponenst külön fázisba visszük: elnevezések szerint van egy álló (S, L) és egy mozgó fázis (G,L). A megoszlás a mozgó és az álló fázis között történhet adszorpció, fázisegyensúly (elegyedés, oldékonyság), méret, ioncsere vagy specifikus kölcsönhatások alapján. Adszorpciós kromatográfia Megoszlásos kromatográfia Méretkizárásos kromatográfia Ioncsere kromatográfia Affinitás kromatográfia (biotin) Γ 1 = Γ m bp bp + bp b >> b szelektivitás 2

3 A kromatográfia típusai Az oldott anyag az álló fázis felületére kerül Az oldott anyag a felületet borító folyadékba kerül A kation kovalensen kötött a felületen az anion ionosan adszorpciós megoszlási ioncsere anioncserélő gyanta Nagymolekulák kívül haladnak A kismolekulák behatolnak a pórusokba méretkizárásos

4 Affinitás kromatográfia Biotint pegilált felületre kötik. Streptavidin biotin kölcsönhatás a legerősebb (4 dokkolás) nem kovalens kötés (10-15 M) 4

5 Nem-ekvivalens (vagy ioncsere) adszorpció Az adszorbensben már eleve vannak ionok, az elektrolit valamelyik ionja kötődik az adszorbensen. Az ioncsere egy megfordítható reakció, amelyben valamelyik oldott ion sztöchiometrikusan cserélődik a szilárd szorbens azonos töltésű mozgékony ionjával XR + KA KR + XA RY + KA É RA+ KY Kationcsere, anioncsere, savas kationcserélő, ph-tól függő amfoter felületek stb. a jegyzetből elolvasni.

6 Zeolit, clays, resins Water softener A water softener reduces the dissolved calcium, magnesium, in hard water. It can be regenerated

7 Elektrokinetikus jelenségek: kolloid stabilitás Bányai István kolloid.unideb.hu/

8 Előző előadás Adszorpció folyadék-szilárd felületen Töltött felületek kialakulása elektrolitok adszorpciója elektromos kettősréteg létrejötte Az elektromos kettősréteg modelljei Helmholtz-modell Gouy-Chapman modell (diffúz réteg vastagsága) Stern-modell Felületi potenciál Stern-réteg (Helmholtz síkokkal határolt) Stern-potenciál Zéta (nyírási-)-potenciál (de nem tudjuk mi az!)

9 Elektrokinetikus vagy zéta potenciál A oldószer (többnyire víz) a felület közelében nem mozdul, rátapad, de bizonyos távolságtól már a folyadék elmozdul a felülethez képest. Azt a síkot, ami a felületet (részecskét) beburkoló tapadó réteget és az elmozduló folyadékréteget elválasztja nyírási felszínnek (surface of shear) vagy nyírási síknak (the slipping plane) nevezzük. Az elektrosztatikus potenciál közeghez viszonyított értéke ebben a nyírási síkban az ún. zéta potenciál vagy elektrokinetikai potenciál. Nyírási sík Ezt tudjuk mérni! (Hogyan?) 1 V a feszültség két pont között. ha egységnyi töltés 1J munkával átvihető!!!

10

11 Kolloidok oldataiban: elektromos kettősréteg jön létre minden egyes részecske körül. A részecske körül lévő folyadék két részből áll: a belső (Stern) réteg, ahol az ionok erősen kötöttek és egy külső a, diffúz ahol kevésbé. Ezen a diffúz rétegen belül egy nevezetes határ az un. nyírási sík jön létre, amely elválasztja a tapadó és a felülethez képest elmozduló folyadék réteget, és amelyen belül a részecske egy dinamikai egységként viselkedik. Elektrokinetikus vagy zétapotenciál kolloidokon (kis felület) A nyírási síkon belül a részecske egy dinamikai egységként viselkedik! Előjel Elektrolit hatás

12 Elektrokinetikai potenciál különböző oldatokban 1 ψ 0 Nyírási sik Vasoxid ph NTP ~ vasoxid 0,01 M KCl ph 4 2. vasoxid M KCl ph 5 3. vasoxid M KCl ph kationos tenzid 3 z + stabilis Stern sik z 1 = z 2 = z 3 Koagulál, ha z < 5 mv - stabilis [Al 3+ ]

13 Alkalmazás

14 Alkalmazó

15 Elektrokinetikus jelenségek Technika Mit mérünk Mi mozog Elektroforézis sebességet részecske Elektroozmózis sebességet folyadék a kapillárisban Mi okozza a mozgást külső elektromos térerő külső elektromos térerő Áramlási potenciál potenciál különbséget folyadék mozog nyomás különbség Ülepedési potenciál potenciál különbséget részecske sűrűség különbség = Dr 1. Elektroforézis: folyadék áll, a részecske mozog 2. Elektroozmózis: töltött felület áll, folyadék mozog 3. Áramlási potenciálok: áramló folyadék generál töltést (fordított elektroozmózis) 4. Ülepedési potenciál: mozgó töltés generál potenciált 5. Elektrolitikus lerakódás/ leválasztás (elektrolízis)

16 Elektroforetikus mozgékonyság

17 Elektrokinetikus potenciál meghatározása F F v u el F fric el = QE = = F fv fric QE v Q = u = = f E f ze ze = = 6 πηa kt / D u e = ηc ζεε 0 κa ( )

18 Az elektrokinetikus potenciál és az ionerősség kapcsolata Elektroforetikus mozgékonyság a zéta potenciállal kifejezve. u e = ηc ζεε ( ) Egy makro ion esetében az ellenion felhő vastagsága befolyásolja a mozgékonyságot, a C konstans fokozatosan változik 1-től 1.5 ig, ahogy a κa változik: 0 κa Ha a κa > > 1 vékony kettős réteg akkor nem befolyásolja az eredő térerőt, a C =1 (Smoluchowski) Ha a κa << 1 vastag kettős réteg" C= 3/2 befolyásolja az eredő térerőt

19 Elektroforézis gélben

20 Elektroforézis A DNS protein kölcsönhatás bizonyítása EMSA (electrophoretic mobility shift assay). A nem kötött DNS gyorsabban mozog gélben mint a proteinhez kötött. Gél elektroforézis Polyacrylamide Gel Electrophoresis (PAGE)

21 Izoelektromos fókuszálás (IEF) Izoelektromos fókuszálás során ph gradienst alkalmaznak. A protein nem mozog tovább, ha az izoelektromos pontjának megfelelő ph-hoz ér. Bármely más ponton töltése van és így elektromos erőtérben mozogni fog NOTES/Protein_Properties/protein_purification.htm

22 Izoelektromos fókuszálás (IEF) + u e ( electrophoretic mobility (EPM)) elektroforetikus mozgékonyság - A méretkizárást el kell kerülni. A gél maga lehet ph-gradiensre készítve azaz amfolit csoportokat építenek bele. Amfolitok keverékére feszültséget adva stacionáris gradiens létrehozható A proteinek két irányban mozoghatnak a töltéstől függően.

23 Elektro-ozmotikus áramlás Diffúz réteg nagyítása Elektroozmózis kapillárisban. A körök jelzik a molekulákat és az ionokat. A nyilak jelzik az áramlási sebességeket. Az erőtér hatására áramló ionok hozzák mozgásba a folyadékot. Diffúz réteg

24 Kapilláris elektroforézis 1 (készülék elve)

25 Kapilláris elektroforézis 2. Áramlási profil

26 Mozgás a kapillárisban Neutral Elektroforetikus mozgékonyság: felületi potenciál (zeta potenciál), méret

27 Elektroozmózis (LB layers) Az elektroozmotikus áramlás a ph és a kapilláris anyagának függvénye Az elektro-ozmózist a felület módosításával változtathatjuk. EOF (electro osmotic flow) töltött felület áll, folyadék mozog házfalak szárítása

28 Fal szárítása

29 A kolloidok stabilitása A hidrofób kolloidok elektrosztatikus stabilizálása

30 Kolloidstabilitás DLVO elmélet (Derjaguin, Landau and Verwey, Overbeek) A kettősréteg (EDL), zetapotenciál, Eredő kölcsönhatás, energiagát a liofób kolloid részecskék között (szuszpenziók, emulziók) A koaguláció sebességét befolyásolják (kinetikai stabilitás) Liofil kolloidok stabilitása (makromolekuláris és micelláris oldatok), termodinamikailag stabilisak

31 Stabilis és instabilis rendszerek:üledéktérfogat Buzágh-kísérletek üledéktérfogat Tömör üledék Laza halmaz Szakszavak!!! a) koagulált, b) flokkulált Irreverzibilis, reverzibilis, Gyógyszeripar, kerámia ipar, festék, színezék, papíripar, víztisztítás, stb Ha nincs taszítás akkor a nagyobb vonzás nagyobb üledéktérfogat Bázikus bizmutnitrat tömény szuszpenzio fehér pigment, kontraszt anyag

32 Részecskék közötti kölcsönhatás Brown-mozgás, ütközések kölcsönhatások? A stabilitás a vonzó és taszító kölcsönhatások viszonyától függ. Nagy taszítás stabil rendszer. A vonzás van der Waals erőkből származik A taszítás a hasonló töltésű részecskék taszításából és vagy a részecske-oldószer (hidratáció) kölcsönhatásból ered. Nagyobb zéta potenciál: stabilabb rendszer, jobban diszpergált, nem vagy nagyon lassan koagulál, és ha ekkor ülepszik akkor tömör irreverzibilis üledéket ad Nincs taszítás Van taszítás

33 A van der Waals vonzás részecskék között vákuumban E r J 6 A ~ β 11, Téglatesteknél: Atomok vagy molekulák közötti vonzás vákumban (pontszerű): r A diszperziós kölcsönhatás additivitása miatt a vonzás nagyobb részecskék között is működik, a hatótávolsága jóval nagyobb, függ a geometriától. Két a sugarú gömb esetében H távolságban a vonzó kölcsönhatás V A, [J]: V A H A H 2 H A Hamaker állandó, J a V A ( H) Aa 12H

34 Hamaker modell A Hamaker állandó a molekuláris kölcsönhatásokból számítható Molekulák az 1 részecskében Molekulák a 2 részecskében A~ 2 q β A: Hamaker állandó, q: db atom /tf, b van der Waals konstans 6 EA ~ βr, J vákuumban A részecskék közötti vonzóerő a molekulák közötti (diszperziós) vonzóerőkből épül fel (a molekulák függetlenül hatnak), azok összege

35 Vonzás közegben effektív Hamaker állandó A részecskék között lévő folyadék erősen csökkenti a Hamaker állandót Nagyságrend közegben VA ( H) H részecsketávolság A effektiv : kvarc: J víz: J, szénhidrogének: J H (m) távolságban a vonzó kölcsönhatás V A, J

36 A töltött részecskéket diffúz ionatmoszféra veszi körül ( x x ) ψ = ψ exp κ( ) St St x St 1/k: a Debye távolság Felületi töltés (ζ~ψ 0 ~ ph) sókoncentráció (κ, z). x St Plane of shear

37 Az átlapoló ellenion atmoszféra taszítást, V R eredményez H V R A lazán kötődő ellenionok diffúz ionatmoszférát alkotnak. A részecskék közeledésekor az ionatmoszférák egymásba hatolnak és az azonos töltések miatt taszítás lép fel. Mivel az ionok koncentrációja a Boltzmann eloszlás szerint rohamosan nő, így a taszítás is exponenciálisan nő. 2 ( ) ψ ( κ ) VR H 0 exp H H ~ részecskék közötti távolság, ψ 0 felületi potenciál

38 Két töltött gömb közötti eredő kölcsönhatás A kölcsönhatási potenciál az elektrosztatikus taszítás és a vonzás eredője a DLVO elmélet szerint: V T [J] V T = V A + V R H V A ( H) Aa 12H V R ( H ) const exp( κ H ) Az elektrosztatikusan stabilizált rendszer érzékeny a felszíni potenciál értékére (ζ~ψ~ ph, saját ion) és az ionerősségre (κ, z). Figyeljünk a szélső értékekre!